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2019全景工博会
控制软件

创新突破工业软件发展瓶颈

  2020年04月20日  

研发设计工业软件概述

  研发设计工业软件一般是指应用于装备产品研制的设计与仿真类工业软件。在2010年以前,研发设计工业软件主要指CAD和CAE软件,提供产品零部件或具体专业的数字化设计分析,主要用于产品详细设计阶段,包括二维/三维CAD软件、有限元场分析软件(场分析软件,包括结构强度、流场、电磁场、多场耦合等仿真分析软件,其求解方法包括有限元法、有限体积法、粒子法等,在此按照习惯统称为有限元软件)、机械/控制/流体/电气等专业仿真软件、集成/优化等工具软件,以及航天、航空、汽车、船舶等行业设计仿真软件。近10年来,系统设计与仿真软件作为新一代数字化研发工业软件逐渐被接受,提供整体产品系统级的正向设计与仿真验证,用于方案论证、方案设计等阶段,包括需求分析管理、系统设计、系统仿真等软件。

  常见的典型通用研发设计工业软件如表1所示。

  研发设计工业软件已经成为装备产品正向创新研制必不可少的工具手段,是企业数字化转型、提升创新能力、提高研发效率的核心支撑,是国家产业的核心竞争力的体现之一。但研发设计软件开发难度大、投入多、周期长,目前我国市场上研发设计工业软件95%以上为国外所垄断,成为制约我国工业创新发展并影响国民经济安全的短板瓶颈。

研发设计工业软件技术瓶颈

  二三维CAD、有限元CAE、专业仿真CAE、系统设计仿真等工业软件,虽然用于装备产品研制不同阶段,具有不同的功能和特性,但是从表2来看,各类研发设计工业软件在组成模块和支撑技术上具有共性。

1、研发设计工业软件主要组成模块

  研发设计工业软件可以普遍划分为可视化建模、计算求解、结果后处理三个主要功能模块。

  可视化建模模块:二维CAD软件为二维交互绘图,三维CAD软件为三维造型,通常基于底层的三维造型引擎实现;有限元CAE为网格划分前处理,一般是基于三维造型引擎通过设置进行自动网格剖分;不同专业仿真软件可视化建模,普遍通过拖拉拽方式建立专业拓扑模型,机械是三维多体动力学模型,控制是控制框图,液压是液压管路图,电气是电气原理图;系统设计仿真软件是基于SysML、Modelica等统一建模规范通过拖拉拽方式建立系统的拓扑连接图。

  计算求解模块:CAD软件为三维造型计算和约束求解计算,有限元CAE软件为PDE(偏微分方程)通过有限元离散之后大规模线性方程系统求解计算;专业仿真CAE是机械、控制、流体、电气等不同专业机理数学模型方程的求解计算,每个专业具有特定的数学模型形式和专业的数值求解算法;系统设计仿真软件求解主要在于系统仿真软件,需要求解机电液控多专业耦合的方程系统。

  结果后处理模块:二维和三维CAD软件是前后处理一体化;有限元CAE软件主要是三维云图显示,一般基于三维造型或显示引擎;专业仿真CAE软件主要涉及曲线和动画,其中机械多体仿真是三维动画,也是基于三维造型或显示引擎;系统设计仿真CAE软件涉及曲线、动画、动态组件等后处理形式。

2、研发设计工业软件关键技术瓶颈

  我国为什么缺乏通用的商品化研发设计工业软件产品?要形成工业软件商品化产品,需要全面突破所有关键技术瓶颈,经历充分的工业应用锤炼,并要有良好的工业软件生态氛围。研发设计工业软件具有共性的关键技术,表2所列主要是底层求解技术,底层求解是工业软件引擎,毫无疑问是关键支撑技术,也是我国自主工业软件的主要瓶颈之一。除了底层求解之外,复杂工业软件系统架构、工业技术软件化、大型复杂工程问题处理、工程化人机交互等也是决定能否形成商品化工业软件的关键技术,也是我国工业软件技术瓶颈所在。

复杂工业软件系统架构技术

  CAD、CAE、系统设计仿真等复杂工业软件通常是几百万仍至几千万行代码、覆盖各种工业场景、长时间连续运行的复杂工程系统,其架构有如高层建筑框架,直接决定了系统稳定性、可靠性、适用性、扩展性和可维护性。工业软件的开发与应用是一个长期实践迭代的过程,如果没有好的系统架构,难以成长为一个好用的商业化软件。国产自主软件通常过于重视软件功能的实现,不太重视软件系统架构,导致软件扩展和持续发展困难。通常需要若干具有软件、业务、计算数学等综合知识且经验丰富的架构师团队来完成和迭代改进。

底层计算求解引擎技术

  CAD的三维造型引擎、约束求解引擎,CAE的前后处理引擎、有限元计算引擎,专业仿真求解引擎,多领域系统模型编译、仿真求解引擎等属于工业软件的底层计算求解引擎技术,底层引擎类似于汽车、飞机的发动机,是设计仿真工业软件最核心的关键技术,求解策略、求解适应性、求解精度直接决定工业软件计算求解的能力与性能。底层计算求解引擎需要把设计与仿真问题化为数学问题然后通过数值计算的方式解决,这需要有深厚的专业积累、数学积累、软件积累和工程积累。计算求解引擎需要数学科学支撑,但更多是一个需要反复迭代锤炼的工程产品,浅尝辄止的研究无法做出好的计算求解引擎产品。

工业技术软件化技术

  工业软件最终是把工业知识、业务流程、工业数据等工业技术积累通过软件来实现以支撑高效研发,其核心是把知识、数据等转化为尽可能统一的知识库、模型库和数据库,把不同行业业务流程转化为可配置、自动化的软件执行过程,工业技术软件化决定了工业积累的深度才能支撑工业软件的强度。自主的工业知识、工业模型、工业数据才能支撑自主的工业软件,否则空有软件没有内容,软件也难以产生价值。工业技术既是工业软件的来源支撑,也是工业软件的主要内容,海量知识库、模型库、数据库与自主工业软件共存共进,才是工业软件发展的健康生态。

大型复杂工程问题处理技术

  如汽车、卫星、飞机、船舶等复杂装备数字化研制,在研制后期随着设备逐步集成会导致设计模型、仿真模型规模庞大,设计仿真计算量巨大,如CAD模型要支持几十万个零部件装配,有限元网络剖分后要进行几千万乃至上亿个离散方程的计算求解,系统仿真要处理几十万至几百万个混合方程系统的分析计算,而且各种工程场景会非常复杂。这种大规模系统、复杂流程场景导致的大型复杂工程问题的处理能力直接决定了工业软件的可用性,也是决定了商品化工业软件能力与好坏。大规模问题、非线性问题、刚性问题、仿真逼真度问题等都是比较常见的影响软件性能的关键问题。

软硬一体化技术

  汽车、卫星、飞机等工业系统普遍是机械、能源、电子、信息等信息物理融合系统(CPS),其中机械、能源等物理子系统和信息、电子等信息子系统具有不同特性和存在方式,物理子系统物理特性强,可用机理模型表达,信息子系统控制特性强,通常是以软件代码形式存在,物理子系统和信息子系统具有耦合特性,需要实现两者的一体化设计仿真。一方面,信息系统中软件代码越来越普遍、越来越复杂,需要采用模型驱动的软件代码自动生成置于信息系统硬件以保证开发效率和软件可靠性;另一方面,物理与信息系统的耦合要求实现物理系统模型和信息系统硬件的一体化仿真验证。这种软硬一体化技术随着CPS和物联网的发展将越来越关键和重要。

工程化人机交互技术

  工业软件是工业知识、流程、数据等工业技术的软件化,这些内容在工业软件上会以工程化的人机交互形式呈现。国际上影响大、应用广的工业软件,普遍具有极佳的人机交互体验,我国自主工业软件在此方面重视度明显不足。工业软件的人机交互,不只是界面的设计和表现,它是工业技术的工程化呈现,是海量知识的逻辑组织和接口设计,是业务流程覆盖性与软件通用性的权衡,是综合工程、软件、美学、用户心理等要素的系统梳理、系统组织与系统设计。

自主研发设计工业软件实践

商品化工业软件开发常规历程

  如前所述,要形成商品化的研发设计工业软件产品,需要突破工业软件所有关键技术,经历充分的工业应用锤炼,并要有良好的工业软件生态氛围。为什么研发设计工业软件开发难度大、投入多、周期长?前述关键技术突破只是工业软件研制的起点。一个工业软件,一般需要经历产品开发、应用验证、推广应用三个阶段,才可能成为成熟的商品化软件。

  突破关键技术并形成功能完整、稳定运行的产品,最多只完成三分之一工作,这个过程一般需要5-10年;有了产品,需要经历充分的工业应用锤炼,实用于各种工业场景,只有经历了工业应用锤炼,才能称之为真正的工业软件,这个过程也需要5-10年;经过实际工业应用锤炼验证的工业软件,具备了商品化软件的条件,还需要全面的商品化运营推广,才有可能成为广泛应用的商品化工业软件,这个过程又要持续3-10年。

系统仿真工业软件研制实践

  作者从事自主工业软件开发和应用近20年,主持了新一代系统仿真软件的关键技术研究、原型系统开发、商品软件研制以及重点行业应用,经历了一个自主工业软件发展的全过程,与团队一起探索出了一条中国自主工业软件的发展道路。在此,结合前述的工业软件关键技术瓶颈,分享一下自主工业软件实践历程。

  作者团队早期在华中科技大学CAD国家工程中心,导师陈立平教授先前从事CAD约束求解引擎开发,1998年团队开始研究多体动力学并仿照ADAMS和RecurDyn开发了原型。到2001年作者攻读博士学位时,认为传统CAD和多体动力学技术已经非常成熟,产品已普及并完全占领国内市场,当时正好发现了Modelica技术。该技术诞生于1997年,基于Modelica规范支持机、电、液、控等多领域统一建模,团队认为这是未来的方向。

  2001年,团队启动了Modelica多领域统一建模关键技术研究。陈立平教授约束求解引擎的大规模方程系统归约求解技术、作者多体动力学的微分-代数方程系统数值求解技术等工作奠定了前期基础。团队研究分析了C#、Java等开源编译器源码,以及BLAS、LAPACK、MINPACK、SUNDIALS等基础算法库,花了3年时间研究各项关键技术。

  2004年,进一步组织团队开发原型系统。原型系统包括可视化建模环境原型、Modelica编译器和分析器原型、Modelica求解器和代码生成器原型以及结果后处理器原型,在前述Modelica多领域统一建模关键技术研究的基础上,2006年推出了初步原型系统,走通典型案例建模仿真全流程,并参加了当年Modelica国际会议,引起国际同行关注。

  2006年,组建专业化团队,开始正式产品的研发。在原型系统的基础上,迭代进行软件系统架构设计,按照Modelica语义功能分步实现完善各模块功能,并与对标产品持续测试对比。2009年,成为支持Modelica多体模型库的软件,并在完成系统的测试之后,推出系统仿真软件正式产品MWorks。

  2009年,在推出正式稳定版本之后,开始行业应用之路。从中国商飞反推力系统仿真开始,此后围绕民机液压系统、起落架系统、飞控系统、发动机系统等系统仿真和虚拟试验进行了持续应用迭代。2012年开始航天应用,先后应用于液体火箭发动机仿真、运载火箭仿真、嫦娥系列能源供配电系统设计与仿真、空间站全数字仿真、卫星全系统仿真等应用。工业应用锤炼提升了工业软件能力,如液体火箭发动机仿真中遇到的强非线性问题,迫使MWorks大幅提升非线性求解能力,数字空间站全系统仿真大规模问题直接推动MWorks求解能力从10万个方程系统提升到50万个方程系统。除航空、航天外,这10年期间,我们在核能、船舶、车辆、工程机械等行业也开展了行业应用探索示范。

新兴工业软件技术发展

  当前正处于第四次工业革命的深度发展阶段,新一代工业软件变革技术正在来临。新兴技术变革,一方面催生新一代全新工业软件,另一方面将会使CAD、CAE等传统软件老树开新枝。国外工业软件巨头已经开始在这方面的布局,比如法国达索2006年收购系统仿真软件Dymola,推出以系统仿真为枢纽、整合CAD/CAE/PLM的全系统、全领域、全流程数字化研发平台3D Experience。近几年,达索、西门子、Altair、ESI等公司纷纷收购大数据人工智能相关的产品技术。在这种技术趋势下,国外工业软件巨头引导的工业软件竞争已经不是单个工具软件的比较,而是数字化研发平台的竞争和未来智能化研发设计工业软件的竞争。

新一代工业软件变革关键技术主要包括:

  基于模型的全系统统一设计、统一仿真及软件自动生成技术:以系统工程、CPS为主要特征的新一代数字化技术变革,催生着兼容传统工业软件的新模式、新方法与新技术,以数字化模型为基础,以统一框架、统一模型、统一设计、统一仿真、系统优化、嵌入式软件自动生成和统一的工业知识模型库为目标,即基于模型的全系统统一设计、统一仿真及代码自动生成技术将是新兴工业软件的重要方向,也是当前数字主线、数字孪生等热门应用的技术支撑。

  面向工业互联网的工业APP创建、运行、联合及生态技术:工业互联网是全球新一轮产业竞争的制高点,工业APP本质是工业知识的软件化,工业互联网与工业APP为工业知识软件化提供了渠道,这是我国工业软件利用互联网优势与新一轮产业机遇换道超车的另一个历史机遇。工业APP以其微内核、高内聚、高专用的特征可以屏蔽传统大型通用软件的技术复杂性,特别是机理模型类工业软件的通用性技术门槛,为我国工业软件的后来居上提供了新的途径。

  机理模型、大数据、人工智能融合的新兴工业软件技术:德国西门子2015年推出工业云服务平台MindSphere,法国ESI集团2015年收购大数据公司Mineset,法国达索、美国Altair等国际大公司纷纷布局大数据和人工智能,拟将机理模型与大数据相结合,推动人工智能迈向工业智能,这将是下一轮工业软件革命的重要方向。鉴于装备产品运行场景的复杂性和故障场景的偶然性,装备产品运行数据大而不全,在消费领域大获成功的“大数据+人工智能”模式,在工业领域必须辅以机理模型,即“机理模型+大数据+人工智能”才有可能催生工业智能,并成为下一代智能化工业软件的基础。

  发展自主研发设计工业软件已经成为国家战略,这是我国工业由大变强、从“制”到“智”的必然道路。目前大部分国产软件与国外同类领先软件差距较大,部分商品化工业软件存在空白,前期国产工业软件生态环境艰难。但自2019年以来积极因素越来越多,中国庞大的工业市场、一系列举世瞩目的重大工程项目以及正在启动的工业数字化转型提供了世界最庞大的工业软件需求市场。

  我国自主研发设计工业软件发展,目前面临三个任务:一是现有但不强的三维CAD、有限元CAE等工业软件如何加快发展,迎头赶上;二是目前空白的传统工业软件如专业仿真CAE软件等如何填补空白;三是如何抓住机遇发展新一代研发设计工业软件。

  现有的CAD和CAE软件,在产品成熟度、市场占有率、研发投入都远不如国外软件的情形下,即使有政策生态环境的支持,在功能和性能上硬拼会是一个非常艰难、非常长期的事,更不用说国际工业软件巨头已经将竞争从单个工具拉到了数字化平台层面,我国CAD、CAE软件发展的出路在于传统软件与新兴工业软件技术结合的技术创新,以及传统软件和行业融合的应用创新,创新是我国工业软件发展的唯一出路。作者团队用系统仿真软件在航空、航天等行业实现了机械、控制、流体、电气等专业的建模仿真,这为系统仿真软件+专业模型库替代专业仿真软件提供了一条新的发展路线,也提供了发展新一代工业软件反向辐射传统工业软件的希望。

  因此,如何抓住机遇发展新一代研发设计工业软件才是重中之重。在系统级设计与仿真、工业APP平台、智能化工业软件等新的赛道上,发展新一代研发设计工业软件,一方面是抓住未来工业软件竞争的先手,另一方面在彻底掌握自主新兴工业软件之后,可以反向辐射覆盖发展传统工业软件,弥补短板,同时也为CAD、CAE等已有基础的传统工业软件的发展提供技术融合创新的支持。

  周凡利 苏州同元软控信息技术有限公司总经理

  本文发表于《中国工业和信息化》杂志2020年3月刊总第21期

标签:工业软件我要反馈
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